基于材料退化的钢筋混凝土梁桥抗震性能研究

摘要

钢筋混凝土桥梁在中国占有相当大的比例，混凝土结构建成后，在所处的自然环境和使用条件下，长期经受昼夜温差和湿度的交替变化，以及周围水介质中有害物质的物理和化学腐蚀的作用，使结构的外表和内部材料性能产生劣化,进而出现不同程度的破裂、损伤等现象。因此，现实中的桥墩在服役状态下必然存在由于耐久性不足而产生一定的损伤，往往导致桥墩的承载能力退化，抵抗地震等自然灾害的能力下降。本文针对材料性能的退化对桥梁结构抗震性能的影响进行分析，可为桥梁的全寿命设计、既有桥梁的运营以及抗震性能评估等提供理论依据。本文主要开展以下几方面的研究： （1）对于钢筋混凝土结构材料退化因素的研究，首先分析了材料退化的因素，进而分别总结出结构在碳化、冻融、氯离子等单个影响因素与双因素作用下，结构材料性能退化与所处时间的关系，得出钢筋与混凝土的材料退化模型，计算出结构随服役时间的材料性能参数。 （2）采用OpenSees软件建立桥梁墩柱有限元模型，基于随机计算的思想方法，考虑材料退化的空间变异性，通过拉丁超立方抽样的方法抽取2000个材料样本进行单调加载分析和滞回分析，最后对抽样统计值进行不同时间段下滞回耗能、骨架曲线、刚度退化以及延性等抗震性能指标的分析。分析表明： （3）结合工程实例，利用有限元分析软件ANSYS建立钢筋混凝土梁桥模型，基于第二章材料劣化各种因素的影响，对结构进行地震荷载一致激励下的非线性时程分析，对在地震作用下钢筋混凝土桥梁全寿命时间内进行抗震性能评估。计算结果表明：桥梁结构在服役75年后期为危险期，结构抵御地震的能力降低更为明显，需要及时进行科学的定量检测，定时加固维修，以保证桥梁在使用寿命期间的安全性能。 （4）考虑地震动的随机性，基于IDA易损性分析方法对钢筋混凝土桥梁墩柱进行地震易损性分析。选取了20条地震动记录，对墩柱进行时程分析，定义损伤指标以及损伤指标的状态限值，对桥梁墩柱进行IDA分析，求出概率地震需求模型，最后形成易损性曲线，并对不同服役期内与不同破坏极限状态下的桥梁墩柱易损性曲线进行了比较分析。计算分析表明：桥梁在初始阶段，钢筋混凝材料性能退化程度较小，桥梁墩柱发生严重破坏的超越概率较小，抗震能力变化较小，随着桥梁服役时间的增加，钢筋混凝土材料的力学性能发生了退化，使得结构在抵御地震作用时的能力下降，破坏概率逐渐增大。

目录

声明

第 1 章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 钢筋混凝土结构耐久性研究现状

1.2.2 钢筋混凝土结构劣化后抗震性能研究现状

1.2.3 桥梁结构地震易损性研究现状

1.3 研究内容

第 2 章 桥梁抗震概论及材料退化影响因素

引言

2.1 桥梁抗震概论

2.1.1 桥梁震害及启示

2.1.2 桥梁地震反应分析方法

2.1.3 桥墩对桥梁抗震性能的重要性

2.2 桥梁结构损伤的表现形式

2.2.1 单因素损伤

2.2.2 双因素损伤

2.2.3 钢筋混凝土粘结性能

2.2.4 材料退化性能参数

2.3 本章小结

第 3 章 材料退化对桥梁抗震性能的影响分析

引言

3.1 材料本构模型的选取

3.1.1 混凝土本构模型

3.1.2 钢筋本构模型

3.2 模型概况

3.3 抗震性能分析

3.3.1 空间变异性

3.3.2 滞回曲线

3.3.3 骨架曲线

3.3.4 滞回耗能

3.3.5 刚度退化

3.3.6 延性系数

3.4 本章小结

第 4 章 桥梁全寿命抗震性能动态分析

引言

4.1 工程概况

4.2 材料本构模型

4.3 数值模拟

4.3.1 支座的模拟

4.3.2 模型的建立

4.3.3 地震波的选择

4.3.4 阻尼比的选取

4.4 性能指标

4.5 模态分析

4.6 地震反应时程分析

4.6.1 材料无退化结果

4.6.2 服役期退化结果

4.7 本章小结

第 5 章 考虑材料退化桥梁地震易损性分析

引言

5.1 地震易损性概述

5.2 基于IDA的易损性分析方法

5.2.1 易损性的定义

5.2.2 易损性曲线的形成

5.2.3 桥墩的损伤指标

5.3 模型概况

5.4 地震动的选取

5.5 易损性分析

5.5.1 概率地震需求模型

5.5.2 墩柱易损性曲线

5.5.3 易损性曲线对比

5.5.4 易损性演化曲线

5.6 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢

附录 A 拉丁超立方抽样材料参数样本

附录 B 攻读学位期间所发表的学术论文目录

附录 C 攻读学位期间参与的科研项目